analisis desempeño entre dos levantamientos artificiales

ANLISIS DEL DESEMPEO DE DOS SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO

ARTIFICIAL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y BOMBEO MECNICO VSH2 UTILIZADOS EN EL CAMPO CAO LIMN.

ELIANA YAIRA MACHETE ROJAS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERAS FISICOQUMICAS

ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS BUCARAMANGA

2007

ANLISIS DEL DESEMPEO DE DOS SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO

ARTIFICIAL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y BOMBEO MECNICO VSH2 UTILIZADOS EN EL CAMPO CAO LIMN

ELIANA YAIRA MACHETE ROJAS

Trabajo de Grado para optar el ttulo de Ingeniera de Petrleos

TUTORES:

Ing. HERNANDO VARGAS Msc. FERNANDO CALVETE Occidental de Colombia, Inc. Profesor Escuela Ing. De Petrleos

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERAS FISICOQUMICAS

ESCUELA DE INGENIERA DE PETRLEOS BUCARAMANGA

2007

A Dios por regalarme la vida, ser mi gua, confidente y amigo fiel.

A mis papitos, Fabiola y Salvador, por sus sacrificios, desvelos, amor y confianza.

A mis dos amores, Cristiam y Valentina, por ser el motor de mi vida.

A Lupe, Melbarak y Daniel por su amistad incondicional.

Eliana M.

AGRADECIMIENTOS

La autora expresa sus agradecimientos a:

Mi familia, por su apoyo incondicional en cada etapa de mi vida, creer siempre en

m y darme las fuerzas suficientes para luchar por mis sueos. En especial a

Salvador, Mery Fabiola, Cristiam Yamid y Danna Valentina, por la confianza que

tuvieron en m en este tiempo que estuve lejos y sobre todo por brindarme la

oportunidad de pertenecer a la mejor familia del mundo y ensearme el verdadero

significado de la palabra amor.

Occidental de Colombia, Inc. por brindarme la oportunidad de realizar la prctica

empresarial, demostrar los conocimientos adquiridos a lo largo de cinco aos de

estudios y con sta cumplir con el requisito para recibir el ttulo.

El Ingeniero Manuel Hernando Vargas Murcia por todo el tiempo que dedic para

aclararme muchos conocimientos, hacer valiosos aportes a mi trabajo y colaborar

desinteresadamente al desarrollo del mismo, adems, por todos sus consejos,

disponibilidad y paciencia para trabajar con la espelucada.

El Msc. Fernando Enrique Calvete por su colaboracin para la ejecucin de la

prctica empresarial y sus aportes para que este trabajo terminara en excelentes

resultados por medio de su experiencia y profesionalismo.

Los Ingenieros Juan Carlos Trujillo, Ricardo Restrepo, Felipe Moreno, Juan Carlos

Guzmn, Rodolfo Rivera, y en especial, a Omar Patio, por compartir conmigo sus

amplios conocimientos obtenidos a lo largo de la experiencia en la industria y

permitirme crecer profesional y personalmente al lado de ellos.

A los profesores de la Escuela de Ingeniera de Petrleos por que han hecho su

mejor esfuerzo para formar excelentes profesionales y personas.

La seora Lilia, doa Alcira y Liliana porque cada una de ellas en su momento me

ofreci el calor de un segundo hogar y con su experiencia y cario hicieron que

este paso lejos de mi familia fuese menos amargo.

Mis amigos de Universidad Melba, Daniel, Nidia, Erwin, Natalie, Ximena, Gerson,

Camilo y Zaida por todos lo bellos momentos compartidos, por su apoyo

incondicional, por su cario, por las peleas y sobre todo por su amistad sincera,

siempre los llevar en mi corazn.

Mis amigos de apartamento Mauricio, Jos Lus (el gordo), Fabin, Julin,

Hctor, Laura, Edgardo, y Jorge Ivn porque con sus chistes, las reuniones en el

apartamento, las jugadas de Play Station, las tardes viendo partidos de ftbol y

hasta con su desorden han hecho que mi estada en Bucaramanga fuese algo

inolvidable que ha dejado un lindo recuerdo en mi corazn que difcilmente se

podr olvidar.

Mis compaeros de Socorro y Bucaramanga, por la alegra de conocerlos y hacer

de esta etapa algo inolvidable para todos.

Y a todas las personas que aportaron un granito de arena para la realizacin de

este proyecto y mi crecimiento personal y profesional durante esta etapa de mi

vida.

RESUMEN

1. TITULO* ANLISIS DEL DESEMPEO DE DOS SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y BOMBEO MECNICO VSH2 UTILIZADOS EN EL CAMPO CAO LIMN 2. AUTORA** ELIANA YAIRA MACHETE ROJAS 3. PALABRAS CLAVES Bombeo Electrosumergible, Bombeo Mecnico VSH2, AutographPC, Rodstar-3.0, Valor Presente Neto, Dlar por Inversin, Pay Back. 4. DESCRIPCIN: El desarrollo del Campo Cao Limn se realiz empleando el Sistema de Bombeo Electrosumergible debido a los altos caudales de produccin y el elevado corte de agua esperado, pero debido a que algunos de los pozos han bajado considerablemente su produccin hasta el punto de ser inferior de 1.000 BFPD, a partir de diciembre de 2.005 se est implementando el sistema de Bombeo Mecnico VSH2 (Variable Speed Hydraulic 2). El propsito del presente estudio es hacer una evaluacin tcnica y econmica del desempeo del Sistema de Bombeo Mecnico VSH2 frente el Bombeo Electrosumergible en los pozos que por sus condiciones de operacin ha sido necesaria la instalacin de este nuevo Sistema de Levantamiento Artificial y de este forma poder tomar decisiones futuras sobre el cambio de sistema de levantamiento artificial en stos pozos del campo Cao Limn. El anlisis tcnico busca determinar cual de los dos sistemas de Levantamiento Artificial ofrece mejor tratamiento a las condiciones de operacin del campo como presencia de arena, bajas tasas de produccin, corte de agua moderado, y bajo soporte de presin, adems de comparar los software de seguimiento y diseo. El anlisis econmico pretende comparar los costos de inversin inicial, mantenimiento, prdidas por produccin diferida y consumo de energa para desarrollar la evaluacin financiera basada en el Valor Presente Neto, Dlar por Inversin y Pay Back para determinar la viabilidad econmica del cambio de Sistema de Levantamiento Artificial.

* Prctica Empresarial. ** Facultad de Ingenieras Fsico-Qumicas, Escuela de Ingeniera de Petrleos. Fernando Enrique Calvete - Manuel Hernando Vargas.

ABSTRACT

1. TITLE* ANALYSIS OF THE PERFOMANCE OF TWO SYSTEMS OF ARTIFICIAL LIFT, ELECTRICAL SUBMERSIBLE PUMPING AND VSH2 SUCKER-ROD PUMPING, USED IN CAO LIMON FIELD 2. AUTHOR** ELIANA YAIRA MACHETE ROJAS 3. KEYWORDS Electrical Submersible Pumping, VSH2 Sucker-Rod Pumping, AutographPC, Rodstar-3.0, Net Present Value, Dollar by Investment, Pay Back. 4. ABSTRACT: The development of the Cao Limn Field was carried out using the System of Electrical Submersible Pumping due to the high production wealth and the high waited water cut, but because some of the wells have gotten its production considerably, until the point off being inferior of 1.000 BFPD, from December of 2.005 the system of VSH2 Sucker-Rod Pumping is implementing (Variable Speed Hydraulic 2). The purpose of the present study is to make a technical and economic evaluation of the performance of the System of VSH2 Sucker-Rod Pumping front the Electrical Submersible Pumping, in the wells that it has been necessary for its operation conditions the installation of this new System of Artificial Lift and of this way can make future decisions about the change of System of Artificial Lift in these wells of the Cao Limn Field. The technical analysis looks for to determine which of the two Systems of Artificial Lift offers better treatment to the conditions of operation of the field like presence of sand, drops production rates, moderated water cut, and lower support of pressure, besides comparing the pursuit and design software. The economic analysis seeks to compare the costs of initial investment, maintenance, losses for differed production and energy consumption to develop the financial evaluation based on the Net Present Value, Dollar for Investment and Pay Back to determine the economic viability of the change of System of Artificial Lift.

* Prctica Empresarial. ** Facultad de Ingenieras Fsico-Qumicas, Escuela de Ingeniera de Petrleos. Fernando Enrique Calvete - Manuel Hernando Vargas.

CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCION 19

1. GENERALIDADES DEL CAMPO CAO LIMN 21

1.1 ANTECEDENTES HISTRICOS 21

1.2 LOCALIZACIN GEOGRFICA 23

1.3 GEOLOGA 24

1.3.1 Ubicacin Geolgica. 24

1.3.2 Geologa Estructural 25

1.3.3 Estratigrafa. 26

1.3.4 Geologa del Petrleo. 28

1.4 CARACTERIZACIN DEL YACIMIENTO 29

1.4.1 Propiedades Petrofsicas del Yacimiento. 29

1.4.2 Propiedades de los Fluidos. 31

2. DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE

LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y

BOMBEO MECNICO VSH2 33

2.1 SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGlBLE 33

2.1.1 Equipo de Superficie. 34

2.1.2 Equipo De Subsuelo. 39

2.2 ANLISIS DE FALLAS SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE EN

POZOS DE BAJO CAUDAL EN EL CAMPO DE CAO LIMON 48

2.2.1 Tiempo Medio Entre Fallas (MTBF) 49

2.2.2 Anlisis de fallas equipos Bombeo Electrosumergible de Bajo Caudal. 53

2.2.3 Fallas en la bomba. 55

2.2.4 Fallas en el motor. 56

2.2.5 Fallas del sello o protector. 57

2.2.6 Fallas en el Cable de Potencia. 57

2.2.7 Factores externos. 57

2.3 SISTEMA DE BOMBEO MECNICO 58

2.3.1 Equipo de Superficie. 59

2.3.2 Equipo de fondo 69

2.4 PROBLEMAS OPERACIONALES DEL SISTEMA BOMBEO MECNICO

VSH2 76

2.4.1 Fallas en la Unidad de Bombeo. 76

2.4.2 Fallas en las varillas. 77

2.4.3 Fallas en la Bomba de Subsuelo. 78

2.4.4 Factores externos. 78

3. FACTORES QUE AFECTAN EL DISEO DE LOS MTODOS DE

LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL EN EL CAMPO CAO LIMN 79

3.1 PROPIEDADES DEL YACIMIENTO 79

3.1.1 Corte de Agua y gravedad API. 79

3.1.2 ndice de productividad. 80

3.2 PRESIONES DE FONDO 81

3.3 CONDICIONES DEL SISTEMA DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL 81

3.4 FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN DISEO DEL LEVANTAMIENTO

ARTIFICIAL 83

4. ANTECEDENTES OPERACIONALES DEL CAMPO CAO LIMN 85

4.1 ANTECENDENTES OPERACIONALES POZOS DE BAJO CAUDAL 86

4.1.1 Sistema de Bombeo Electrosumergible. 87

4.1.2 Sistema de Bombeo Mecnico VSH2. 90

4.1.3 Estimacin tasa de produccin con los Sistemas de Levantamiento Artificial

92

4.2 POTENCIAL DE PRODUCCIN 95

5. EVALUACIN TCNICA 104

5.1 COMPARACIN TCNICA 104

5.2 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y BOMBEO

MECNICO VSH2 107

5.2.1 Diseo sistema de Bombeo Electrosumergible. 110

5.2.2 Diseo sistema de Bombeo Mecnico VSH2. 118

5.3 COMPARACIN SOFTWARE DE SEGUIMIENTO 125

6. EVALUACIN ECONMICA 140

6.1 INVERSION INICIAL 140



6.1.3 Comparacin Inversin Inicial. 142

6.2 COSTOS DE MANTENIMIENTO 143



6.2.3 Comparacin Costos de Mantenimiento. 147

6.3 CONSUMO DE ENERGA 148



6.3.3 Comparacin Consumo de Energa. 150

6.4 PRDIDAS POR PRODUCCIN DIFERIDA 151



6.4.3 Comparacin Prdidas por Produccin Diferida. 153

6.5 EVALUACIN FINANCIERA 154

6.6.1 Inversin. 155

6.6.2 Valor Presente Neto (VPN). 155

6.6.3 Dlar por Inversin (DPI). 156

6.6.4 Tiempo de Pago de la Inversin (Pay Back). 157

CONCLUSIONES 158

RECOMENDACIONES 159

BIBLIOGRAFIA 160

ANEXOS 163

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Localizacin del Campo Cao Limn. 24

Figura 2. Ubicacin de los campos en el bloque Cravo Norte. 25

Figura 3. Columna Estratigrfica del Campo Cao Limn. 27

Figura 4. Bombeo Electrosumergible. 34

Figura 5. Transformador reductor (SDT). 35

Figura 6. Transformador elevador (SUT) 36

Figura 7. Variador de Velocidad. 36

Figura 8. Caja de Venteo pozo CY 06. 38

Figura 9. Cabezal de pozo. 38

Figura 10. Estator. 40

Figura 11. Rotores. 40

Figura 12. Tipos de Cable de Potencia. 41

Figura 13. Sello y cmara de empuje. 43

Figura 14. Bolsa elstica y cmaras labernticas. 43

Figura 15. Intake. 44

Figura 16. Etapa de una bomba Bombeo Electrosumergible 45

Figura 17. Curva de rendimiento de una bomba. 46

Figura 18. Cantidad de fallas por Run Life. 52

Figura 19. Fallas por Caudal. 54

Figura 20. Causas de fallas caudal menor a 2000 BFPD. 55

Figura 21. Instalaciones y fallas caudales inferiores a 2000 bbls. 55

Figura 22. Unidad hidrulica VSH2. 61

Figura 23. Motor Elctrico. 62

Figura 24. Acumulador de presin. 63

Figura 25. Botellas de Nitrgeno. 63

Figura 26. Bomba hidrulica. 64

Figura 27. Tanque de aceite. 65

Figura 28. Guaya, Elevador y Espaciador. 67

Figura 29. Barra Lisa. 68

Figura 30. Cabezal de pozo Unidad Hidrulica. 69

Figura 31. Sartas de varillas en sus empaques. 70

Figura 32. Bomba de subsuelo. 71

Figura 33. Ciclo de Bombeo. 73

Figura 34. Ancla de tubera tipo copas. 75

Figura 35. Facilidades de produccin PF-2. 86

Figura 36. Operacin equipo de Bombeo Electrosumergible sobredimensionado. 88

Figura 37. Causas de fallas en la bomba. 89

Figura 38. Sand Protector Packer. 91

Figura 39. Estado Mecnico CL-Y1. 92

Figura 40. Representacin de las curvas de produccin. 96

Figura 41. Mapa de Cao Limn de los pozos productores del C5. 98

Figura 42. Mapa de UCS para CL-Y1. 100

Figura 43. Parmetros de diseo LY-X1. 108

Figura 44. Condiciones de pozo - Diseo de Bombeo Electrosumergible. 110

Figura 45. Tornado de la bomba de Bombeo Electrosumergible. 111

Figura 46. Seleccin de Sello para Bombeo Electrosumergible. 112

Figura 47. Seleccin del motor para Bombeo Electrosumergible. 113

Figura 48. Seleccin del cable para Bombeo Electrosumergible. 114

Figura 49. Seleccin del Controlador para Bombeo Electrosumergible. 115

Figura 50. Reportes de AutographPC - Diseo Bombeo Electrosumergible. 116

Figura 51. Informacin de pozo - Diseo de Bombeo Mecnico. 118

Figura 52. Informacin de produccin - Diseo de Bombeo Mecnico VSH2. 119

Figura 53. Informacin Bomba y Tubera - Diseo de Bombeo Mecnico VSH2. 120

Figura 54. Seleccin Sarta de Varillas - Diseo de Bombeo Mecnico VSH2. 120

Figura 55. Seleccin Unidad de Superficie - Diseo Bombeo Mecnico VSH2. 121

Figura 56. Seleccin del motor - Diseo Bombeo Mecnico VSH2. 122

Figura 57. Reporte de Rodstar - Diseo Bombeo Mecnico VSH2. 123

Figura 58. Dinagrama bajo condiciones ideales. 131

Figura 59. Resultados tpicos de prueba de vlvulas. 138

Figura 60. Comparacin Costos de Inversin Inicial. 143

Figura 61. Comparacin Costos de Mantenimiento. 148

Figura 62. Comparacin Consumo de Energa. 150

Figura 63. Comparacin Costos por Consumo de Energa. 151

Figura 64. Comparacin Produccin Diferida. 153

Figura 65. Comparacin Prdidas por Produccin Diferida. 154

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Propiedades Petrofsicas de Cao Limn. 29

Tabla 2. Porosidades Promedio del Campo Cao Limn. 30

Tabla 3. Saturaciones Promedio del Campo Cao Limn. 31

Tabla 4. Propiedades promedias de los fluidos de Cao Limn. 31

Tabla 5. Nomenclatura API para Unidades de Bombeo Mecnico. 66

Tabla 6. Nomenclatura API para Bombas de Subsuelo Bombeo Mecnico. 74

Tabla 7. Antecedentes operacionales de Cao Limn. 93

Tabla 8. Clculo de IP a partir de SPI. 99

Tabla 9. Potencial de produccin con DD=P. Underbalance. 101

Tabla 10. Potencial de produccin con DD=Pws. 102

Tabla 11. Comparacin funcionamiento dos Sistemas de Levantamiento Artificial.

104

Tabla 12. Condiciones operacionales en instalaciones Bombeo Mecnico VSH2.

105

Tabla 13. Instalaciones Sistema de Bombeo Electrosumergible. 117

Tabla 14. Bomba, varillas y SPM Bombeo Mecnico VSH2. 124

Tabla 15. Cargas y consumo de Bombeo Mecnico VSH2. 124

Tabla 16. Medicin de parmetros del funcionamiento de pozos. 126

Tabla 17. Dinagramas tpicos de fondo. 132

Tabla 18. Costo Instalacin Inicial Bombeo Electrosumergible. 141

Tabla 19. Costo Instalacin Inicial Bombeo Mecnico VSH2. 142

Tabla 20. Costo por instalacin equipo reparado Bombeo Electrosumergible. 144

Tabla 21. Costo por instalacin equipo nuevo Bombeo Electrosumergible. 145

Tabla 22. Costos totales por mantenimiento Bombeo Electrosumergible. 146

Tabla 23. Costos totales por mantenimiento Bombeo Mecnico VSH2. 147

Tabla 24. Consumo de Energa Bombeo Electrosumergible. 149

Tabla 25. Consumo de Energa Bombeo Electrosumergible. 150

Tabla 26. Prdidas por diferida Bombeo Electrosumergible. 152

Tabla 27. Prdidas por diferida Bombeo Mecnico VSH2. 153

Tabla 28. Comparacin Inversin. 155

Tabla 29. Comparacin Valor Presente Neto. 156

Tabla 30. Comparacin Dlar por Inversin. 156

LISTA DE ANEXOS

Pg.

ANEXO A: GRFICAS UNCONSOLID COMPRESSIVE STRENGTH 164

ANEXO B: PARAMETROS DE YACIMIENTOS 169

ANEXO C: DISEOS BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE 175

ANEXO D: DISEOS BOMBEO MECANICO VSH2 180

ANEXO E: CALCULOS ANALISIS FINANCIERO 186

19

INTRODUCCION

En las primeras etapas de desarrollo de un Campo se establece su magnitud y se

determinan las caractersticas propias del mismo las cuales van cambiando a

medida que se explota el Campo; Cao Limn es uno de los Campos ms

destacados de Latinoamrica por el alto nivel de produccin de crudo y la calidad

del mismo. Su desarrollo se realiz empleando el Sistema de Bombeo

Electrosumergible como Sistema de Levantamiento Artificial debido a los altos

caudales de produccin y el elevado corte de agua esperado.

Debido a que los pozos que lo integran presentan una rpida declinacin de la

presin y una disminucin considerable en los caudales de produccin, en los

ltimos cuatro aos ha sido necesario usar los equipos de Bombeo

Electrosumergible a frecuencias inferiores a las requeridas por el sistema para

lograr un desempeo ptimo. Y debido a que algunos de los pozos han bajado

considerablemente su produccin hasta el punto de ser inferior de 1.000 BFPD se

han presentado problemas operacionales que han hecho ver la necesidad de

evaluar el mtodo de Levantamiento Artificial ya existente con respecto a otros

sistemas que desarrollan nuevas tecnologas y se cree pueden ser una opcin

para continuar con la vida productiva de Cao Limn.

A partir de diciembre de 2.005 en pozos donde la declinacin en la presin y la

reducciones en su caudal son bastante notorias se est implementando el sistema

de Bombeo Mecnico VSH2 (Variable Speed Hydraulic 2), que es un sistema de

Levantamiento Artificial que se ha utilizado ampliamente en Canad con muy

buenos resultados y se esta implementando por primera vez en Colombia en el

Campo Cao Limn.

20

El propsito del presente estudio es hacer una evaluacin tcnica y econmica del

desempeo del Sistema de Bombeo Mecnico VSH2 frente el Bombeo

Electrosumergible en los pozos que por sus condiciones de operacin ha sido

necesaria la instalacin de este nuevo Sistema de Levantamiento Artificial y de

este forma poder tomar decisiones futuras sobre el cambio de Sistema de

Levantamiento Artificial en stos pozos del Campo Cao Limn.

El anlisis tcnico busca determinar cual de los dos Sistemas de Levantamiento

Artificial ofrece mejor tratamiento a las condiciones de operacin del campo como

presencia de arena, bajas tasas de produccin, corte de agua moderado, y bajo

soporte de presin, adems de comparar el software de seguimiento y diseo y los

parmetros empleados por cada una de las empresas de servicio para satisfacer

las necesidad de Occidental de Colombia, Inc.

El anlisis econmico pretende comparar los costos de inversin inicial,

mantenimiento, prdidas por produccin diferida y consumo de energa para

determinar la viabilidad econmica del cambio de Sistema de Levantamiento

Artificial, con base en datos financieros como Valor Presente Neto, Dlar por

Inversin y Tiempo de Pago de la Inversin.

21

1. GENERALIDADES DEL CAMPO CAO LIMN

1.1 ANTECEDENTES HISTRICOS12 A finales de la dcada de los 70s, Occidental International Exploration and

Production Corporation se vincula a Colombia mediante la firma Occidental de

Colombia, Inc. (OXY), iniciando estudios y exploraciones de posibles reas

prospectivas en la regin del Magdalena Medio. A comienzos de la dcada de los

80, OXY dirige sus operaciones al departamento de Arauca, localizado en la parte

nororiental del pas, zona limtrofe con Venezuela donde ya existan 61 pozos

exploratorios pero con resultados despreciables (dos yacimientos con reservas

totales de 20 MMB de crudo liviano y un yacimiento de 90 MMB de crudo de 13,6

API, ninguno de ellos fue comercial).

El 1 de julio de 1.980 OXY firma el contrato de Asociacin Cravo Norte con

ECOPETROL y se inicia la primera fase exploratoria sobre los bloques Cravo

Norte, Cinaruco, Rondn, Orocu y Guarrojo de un milln de hectreas cada uno;

un reto de enormes proporciones porque OXY estaba contractualmente obligada a

la devolucin de un 50% de las reas seleccionadas al final del primer ao de

exploracin. Cuadrillas de ssmica y equipos de perforacin trabajaron durante

este periodo para producir 2.800Km de datos ssmicos, 19 pozos estratigrficos y

2 pozos exploratorios, dando as, respuesta a algunas de las incgnitas sobre la

estratigrafa de la cuenca, la presencia de rocas sellantes y la migracin de

hidrocarburos.

1 MARTINEZ, Gina y SANDOVAL, Anglica. Factibilidad de Implementacin del Sistema de Bombeo Hidrulico en pozos de la formacin Carbonera Superior del Campo Cao Limn. Santaf de Bogot, 1999. Trabajo de Grado (Ingenieras de Petrleos). Universidad Amrica. 2 RIVERO R. T. y DOMINGUEZ J. G. Cao Limon Field Colombia: The Latest Giant Oil Reservoir in South America. SPE N 15153, 1988.

22

En el segundo ao de exploracin, se continu con los estudios ssmicos y se

perforaron 10 pozos exploratorios. En cuatro de estos pozos se encontraron

pequeas cantidades de hidrocarburo en trampas estructurales y estratigrficas

del borde somero de la cuenca San Joaqun. Estos descubrimientos aunque no

tuvieron un valor comercial, abrieron el camino hacia el descubrimiento de Cao

Limn porque probaron que las reas retenidas por OXY tenan todos los

ingredientes geolgicos necesarios para dar cabida a un yacimiento de petrleo.

Finalmente el Campo Cao Limn fue descubierto luego de la perforacin del pozo

direccional Cao Limn 01, que inici el 20 de abril de 1.983, alcanzando una

profundidad total de 10.176 pies y obteniendo una produccin de crudo (31 API promedio) a una tasa promedio de 10.690 BFPD o 3.425 BOPD de la formacin

Mirador Inferior; lo cual dio lugar a que en Julio de este mismo ao se declarara la

productividad del yacimiento y en septiembre de 1.985 se estimaran las reservas

del campo en un milln de barriles.

La perforacin de los pozos La Yuca 1 y Matanegra 1 sobre estructuras aledaas

despus del descubrimiento de petrleo en el pliegue de Cao Limn,

demostraron que el campo comprende tres cierres estructurales ahora

identificados como las reas productivas de Cao Limn, La Yuca y Matanegra.

Este descubrimiento fue para OXY la culminacin de un intenso esfuerzo

exploratorio de tres aos que involucro 4.000Km de ssmica, 20 pruebas

estratigrficas y 12 pozos exploratorios iniciando la produccin de petrleo el 7 de

diciembre de 1.985.

La compaa petrolera Shell se convirti en socio de la Asociacin Cravo Norte en

1.985, con lo cual la participacin quedo conformada en un 50% para

ECOPETROL, 25% para OXY y el 25% restante para Shell.

23

En el ltimo semestre de 1.998 Shell vendi sus acciones a OXY, quedando

conformado el contrato de asociacin Cravo Norte por ECOPETROL y OXY, cada

uno con un 50% de participacin. La duracin del contrato es de 28 aos que se

divide en el periodo de exploracin con una duracin mxima de 6 aos y el de

produccin de 22 aos; al finalizar este periodo todas las instalaciones, equipos y

produccin restante pasan a ser propiedad de ECOPETROL sin ningn costo.

Las condiciones econmicas del Contrato de Asociacin Cravo Norte le aseguran

al estado Colombiano el 82% de las utilidades netas generadas por el proyecto

petrolero. Esta participacin mayoritaria la recibe el Estado a travs de

ECOPETROL. Las regalas equivalen al 20% de la produccin del Campo.

1.2 LOCALIZACIN GEOGRFICA 34

El Campo Cao Limn est ubicado dentro del rea del contrato de Asociacin

Cravo Norte, la cual abarca un rea de 260.000 hectreas localizada en el

extremo Norte de la cuenca de los Llanos Orientales de Colombia, en el

Departamento de Arauca, 50Km al sur occidente de su capital y entre la poblacin

de Arauquita y el caserio La Yuca.

Geogrficamente el sector Cravo Norte esta limitado al norte y al este por el ro

Arauca, al sur con el ro Casanare y al oeste con la Cordillera Oriental.

El campo se enmarca dentro de las Coordenadas Gauss con origen 3 Este: N: 1256.000 m - 1264.000 m

E: 992.000 m - 1004.000 m

3 GABELA, Victor H. Asociacin ECOPETROL-Occidental Campo Cao Limn. Llanos Orientales de Colombia. En: II SIMPOSIO EXPLORACIN DE CUENCAS SUBANDINAS. Ponencias II Simposio Exploracin de cuencas Subandinas. Bogot, Agosto de 1985. 4 RIVERO y DOMINGUEZ, Op.Cit.

24

Figura 1. Localizacin del Campo Cao Limn.

Fuente: Occidental de Colombia, Inc.

1.3 GEOLOGA567 Los yacimientos comprenden arenas delticas pobremente consolidadas del

Cretceo al Oligoceno, con una profundidad promedio de 7.600 pies (2.315 m) y el

mecanismo de produccin es un fuerte y activo empuje hidrulico natural.

1.3.1 Ubicacin Geolgica. El campo est situado sobre el arco de Arauca en el flanco Norte de la Cuenca de los Llanos Orientales, al norte de ste arco se

encuentran las cuencas de Barinas y Apure (Venezuela), al este el escudo

grantico de Guyana y al oeste la cordillera de los Andes.

5 AMOROCHO, Diana M. Anlisis Tcnico-Econmico del retiro de vlvulas de seguridad de fondo y panel OTIS en pozos del Campo Cao Limn. Bucaramanga, 2006. Trabajo de Grado (Ingeniera de Petrleos. Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas. 6 CLEVELAND, M.N y MOLINA, J. Deltaic Reservoir of the Cao Limon Field, Colombia, South Amrica. Casebook in Easth Science, 1990. 7 MARTINEZ SANDOVAL, Op. Cit.

25

La regin norte de los Llanos es un flanco monoclinal que desciende en direccin

oeste con buzamientos muy leves. La formacin estructural consiste

principalmente en fallamiento de tipo normal con direccin noreste-suroeste cuyo

origen parece ser paleozoico con reactivaciones subsiguientes que involucran

hasta sedimentos Terciarios. La cuenca de los Llanos se caracteriza tambin por

una historia tectnica estable lo que ha favorecido una sedimentacin cclica

relativamente constante.

1.3.2 Geologa Estructural. El Campo comprende tres cierres estructurales, cada uno de ellos asociado a un rea productiva, denominados Cao Limn,

Matanegra y La Yuca. La formacin de estas estructuras se debe al movimiento

lateral de la Falla Cao Limn, que secciona el Campo de noreste a suroeste y al

desplazamiento asociado a las fallas convergentes de Matanegra y La Yuca, que

delimitan los respectivos bloques estructurales.

Figura 2. Ubicacin de los campos en el bloque Cravo Norte.


26

El Campo Cao Limn se separa del Campo Cao Yarumal debido a la Falla de

Arauca que es de corta extensin, corre paralela al ro Arauca y une las fallas de

Matanegra y La Yuca en la parte norte del Campo. Adicionalmente los Campos

Redondo y Cao Yarumal se encuentran ubicados en la parte suroeste del Bloque

Cravo Norte y separados gracias a la falla Cao Limn.

El rea productiva se encuentra comprendida por 18 bloques, de los cuales:

Tonina, Remana, Redondo Este, Araguato, Pastora, Cao Redondo, Cosecha A,

Cosecha A, La Yuca Este y Matanegra Oeste contienen slo un pozo, y Cao

Limn, Matanegra, Cao Yarumal, La Yuca, Rondn, Cano Verde, Caricare -

Redondo y Jiba contienen varios pozos. Al agrupar estos bloque se forman los 8

campos que son: Cao Limn, Cao Yarumal, Redondo, Tonina, Remana, La

Yuca Este, Redondo Este y Caricare - Redondo.

1.3.3 Estratigrafa. La seccin estratigrfica se extiende desde el Precretceo al Cretceo reciente y comprende 9.200 pies (2.804 metros) de columna

sedimentaria.

Los estratos productores comprenden cuatro formaciones sedimentarias, la

Formacin Carbonera Inferior/Mirador de edad Eoceno de mayor relevancia en

cuanto a produccin se refiere debido a que contiene el 80% del petrleo total in

situ del Campo, las formaciones K1, K2A de edad cretcea tarda y la formacin

Carbonera Superior de edad Oligoceno.

La Columna Estratigrfica de los Campos Cao Limn, Cao Yarumal y Redondo

es:

27

Figura 3. Columna Estratigrfica del Campo Cao Limn.


Precretceo. En general esta seccin comprende areniscas y lutitas arenosas, de posible edad paleozoica. En Colombia y en especial en el campo Cao Limn la

secuencia estratigrfica con inters petrolfero se analiza a partir del Cretceo

Superior y son denominadas cobertura productiva.

28

Cretceo. Compuesta principalmente por areniscas finas, con alto contenido de cuarzo acompaada con intercalaciones de arcillolitas. Su espesor es superior a

400 pies (150 metros). Esta edad geolgica se ha dividido en el Campo Cao

Limn en cuatro unidades operacionales limitadas por discordancias que son la

base del K3, K2A, K2B y K1.

Terciario. Esta seccin se encuentra conformada por cuatro formaciones: Carbonera Inferior, Carbonera Superior, Len y Guayabo; compuestas

generalmente por areniscas arcillosas, areniscas arcsicas, cuarcticas, por

arcillolitas y algunas intercalaciones de lutitas. Su espesor promedio aproximado

es de 7.600 pies.

1.3.4 Geologa del Petrleo. Dentro de la geologa del petrleo podemos definir: Roca Generadora. Anlisis geoqumicos realizados en muestras de petrleo del Campo Cao Limn indican que esta proviene principalmente de sedimentos

marinos ricos en materia orgnica, a diferencia de los crudos producidos por otros

campos ubicados en reas cercanas en la misma cuenca. La fuente de generacin

de los aceites producidos en el rea de Cao Limn se cree que son los

sedimentos profundos hacia el oeste de la cuenca (Piedemonte Llanero) o de las

cuencas vecinas de Venezuela.

Roca Almacenadora. Las unidades K1 y K2 del cretceo y Carbonera Inferior/Mirador y superior del terciario son en general las rocas almacenadoras en

el Campo.

Roca Sello. El sello del Campo esta conformado por las arcillas del la formacin Carbonera Superior y por las diferentes fallas que se encuentran en esta regin.

29

Tipo de Trampa. Las acumulaciones de aceite en el rea de Cao Limn son de tipo estructural, definindose algunos entrampamientos sedimentarios siempre

controlados por las fallas.

1.4 CARACTERIZACIN DEL YACIMIENTO8 1.4.1 Propiedades Petrofsicas del Yacimiento. La evaluacin de las propiedades petrofsicas del Campo se ha llevado a cabo con un minucioso

anlisis de perfiles elctricos tomados a los diferentes pozos, pruebas de rutina a

los corazones disponibles para obtener porosidad y permeabilidad de las arenas y

anlisis especiales para determinar las propiedades dinmicas del yacimiento.

Algunas de las principales propiedades petrofsicas del yacimiento son:

Tabla 1. Propiedades Petrofsicas de Cao Limn.

CARACTERSTICAS DE LA ROCA Profundidad Promedio 7.600 pies

rea 8.900 acres Espesor neto Petrolfero 150 pies

Presin inicial (@ 7.100 pies, BNM) 3.213 psi Temperatura (@ 7.100 pies, BNM) 207 F

Porosidad 25% Permeabilidad 5000 mD

Saturacin de agua inicial 25%


1.4.1.1 Porosidad. Los valores de porosidad se han determinado a partir de la correlacin establecida entre las porosidades medidas en los ncleos y las

calculadas de los registros elctricos. Las porosidades de las reas productivas

del Campo Cao Limn son altas observndose los mayores valores en la

8 AMOROCHO, Op. Cit.

30

Formacin Carbonera Inferior, seguida de las arenas C5 de la Carbonera Superior

y el miembro cretceo K2, como se puede observar en la tabla 2.

Tabla 2. Porosidades Promedio del Campo Cao Limn.

REA FORMACIN POROSIDAD (%) Carbonera Superior 20.6 CAO LIMN Carbonera Inferior/Mirador 23.8 Carbonera Superior 21.3 Carbonera Inferior/Mirador 23.8 LA YUCA K1 (Cretceo) 19.9 Carbonera Superior 25.1 Carbonera Inferior/Mirador 26.8 K1 (Cretceo) 19.9

MATANEGRA

K2 (Cretceo) 24.6


1.4.1.2 Permeabilidad. Los valores de permeabilidad se han determinado basndose en anlisis de presiones hechos en pruebas a la formacin, pruebas de

produccin y anlisis de corazones.

Las permeabilidades mas altas corresponden a las arenas de la Formacin

Carbonera Inferior, las cuales tienen un valor promedio de 5 darcys. Para las

arenas K1 los valores promedio de permeabilidad son de 1 darcy, y para las

arenas del K2 de 2 darcys.

1.4.1.3 Saturacin de los Fluidos. Las formaciones petrolferas de Cao Limn se encuentran a una presin superior a la presin de burbuja (50psi) y por tal

razn no habr gas libre en el yacimiento durante toda su vida productiva, sino

que nicamente contendr petrleo y agua.

La saturacin de fluidos se determina con base en la evaluacin de registros

elctricos, en la utilizacin de programas que incorporan parmetros de porosidad

31

y arcillosidad de los reservorios y con base en permeabilidades relativas para el

sistema de drenaje, obteniendo los siguientes datos de saturaciones promedias.

Tabla 3. Saturaciones Promedio del Campo Cao Limn.

REA FORMACIN SATURACIN DE ACEITE (%) Carbonera Superior 67.0 CAO LIMN Carbonera Inferior/Mirador 76.9 Carbonera Superior 74.9 Carbonera Inferior/Mirador 76.9 LA YUCA K1 (Cretceo) 37.3 Carbonera Superior 50.0 Carbonera Inferior/Mirador 70.4 K1 (Cretceo) 37.3

MATANEGRA

K2 (Cretceo) 73.2


1.4.2 Propiedades de los Fluidos. El anlisis PVT muestran que los fluidos se encuentran a una presin superior a la presin de saturacin, lo que indica la

presencia solo de fases lquidas en la produccin; por lo cual el Campo Cao

Limn se clasifica como un yacimiento subsaturado.

Tabla 4. Propiedades promedias de los fluidos de Cao Limn.

CARACTERSTICAS DE LOS FLUIDOS Gravedad API del petrleo 29 API

Densidad del petrleo 0.88 gr/cc Factor Volumtrico @ 207F y 3.200 psi 1.05 bbls/stb

Viscosidad del petrleo @ 207F y 3.200 psi 4 cp Presin de Burbuja 50 psi

Relacin Gas-Aceite (GOR) 8 SCF/STB Relacin Agua-Aceite (WOR) 90%


32

El gas en solucin medido en el laboratorio (Rs) es inferior a 15 PCN/BN. El bajo

contenido de gas contribuye a la baja compresibilidad del petrleo por lo cual se

espera un mnimo aporte de energa al yacimiento por expansin del petrleo. La

siguiente tabla muestra el resumen de las principales caractersticas del crudo de

Cao Limn.

33

2. DESCRIPCIN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE

LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE Y BOMBEO MECNICO VSH2

Basados en los estudios de simulacin de yacimientos realizados se determin

que el levantamiento con Bombeo Electrosumergible (ESP) era el mtodo ms

adecuado de produccin para ser utilizado en el desarrollo del Campo Cao

Limn, principalmente por los altos caudales de produccin y profundidades de las

formaciones productoras.

En la actualidad el 98% de los pozos maneja el Bombeo Electrosumergible, ESP

(Electrical Sumersible Pumping), cuatro usan un sistema combinado de

levantamiento artificial denominado ESPCP (Bomba PCP con motor de fondo) y 9

tienen instalado el Bombeo Mecnico con dos tipos de unidad de superficie, la

llamada VSH2 (Bombeo Mecnico con Unidad Hidrulica en Superficie) y la

Rotaflx (Unidad de superficie con banda de accionamiento).

2.1 SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGlBLE

El sistema de Bombeo Electrosumergible, es considerado como un sistema muy

eficiente dados los resultados obtenidos en le campo desde hace ya casi 20 aos,

y que a pesar del problema de arena que se presenta en algunos pozos, ya estn

diseados con una configuracin en las bombas (AR) que ofrecen mayor duracin

a los desgaste abrasivos que se presentan por la arena.

Las ventajas de este sistema incluyen el manejo de altos caudales de fluido,

mantenimiento rpido, permite una pronta atencin a los pozos cados y una

34

pronta recuperacin de la inversin inicial. Se compone bsicamente por dos

grupos de equipos, de superficie y fondo.

Figura 4. Bombeo Electrosumergible.

Fuente: Baker Hughes - Centrilift.

2.1.1 Equipo de Superficie. Sin contar con la energa necesaria que debe ser suministrada y que no es parte directa de este estudio, el equipo de superficie lo

componen transformadores para regular los voltajes necesarios y un variador de

frecuencia (VSD). Los tamaos o potencia de estos equipos dependen de los

parmetros de operacin del equipo de fondo. Su funcionamiento bsico es as: la

energa que proviene de las lneas de distribucin elctrica de 13.8KV (Kilo

Voltios) o 34.5KV, es reducida mediante el SDT (Step Down Transformer) a 480V

que es la tensin requerida por los tableros de control.

Los variadores de frecuencia VSD, permiten que el motor trabaje a diferentes

velocidades, variando la frecuencia de la corriente alterna y manteniendo la

35

relacin Voltios/Hertz constante. Debido a que el voltaje requerido por el motor es

superior al de salida del VSC, se emplea el SUT (Step Up Transformer) para

elevar dicho voltaje. En Cao Limn este voltaje est entre 1000 y 3600 Voltios

que es la tensin que requiere el motor de fondo para poder operar.

2.1.1.1 Generador de potencia elctrica. Es la fuente que proporciona la potencia elctrica necesaria para la operacin del equipo de fondo. En Cao

Limn existen tres fuentes de suministro de energa: ISA, la empresa Nacional y la

propia generacin.

2.1.1.2 Transformador reductor (SDT). Se encarga de reducir el voltaje de las lneas de distribucin de alta tensin (de 13,8KV a 34,5KV) a la tensin requerida

por el variador o a la entrada del controlador de frecuencia (entre 460V y 380V).

Figura 5. Transformador reductor (SDT).


2.1.1.3 Transformador elevador (SUT). Se encarga de incrementar la tensin que sale del variador o controlador de frecuencia al nominal requerido por el motor

para que opere eficientemente (1000V 3760V).

36

Figura 6. Transformador elevador (SUT)


2.1.1.4 Controladores del motor. Es el equipo utilizado para controlar el arranque y los parmetros de operacin del motor desde superficie. Su

funcionamiento permite controlar y mantener la frecuencia a la cual el operador

desea que trabaje el motor de la bomba, sin necesidad de sacar el equipo de

fondo.

Figura 7. Variador de Velocidad.


37

Existen tres tipos de controladores de motor:

Arrancador directo o swichboard (SB). Consiste en un arranque con un conjunto de circuitos en estado slido, con protecciones por alta o baja carga, alto

o bajo voltaje, fluctuaciones en la frecuencia del sistema de potencia. La potencia

tanto a la entrada como a la salida tiene una frecuencia constante de 60Hz, por lo

tanto el motor siempre gira a +/- 3.600rpm. Los arranques del motor son bruscos

con este tipo de tablero. Arrancador suave o soft starter (SS). Es similar a un arrancador directo en que previene tambin al motor de cambios bruscos en la corriente, pero est diseado

para controlar la corriente y el voltaje en los bornes del motor durante el periodo

de arranque incrementando gradualmente la frecuencia, hasta alcanzar los 60 Hz

nominales del sistema. Una vez encendido el motor, el SS trabaja a 60Hz.

Controlador de frecuencia variable (VSD). Una bomba electrosumergible queda limitada cuando se opera a una frecuencia fija, el controlador de frecuencia

variable elimina esta restriccin permitiendo variar la frecuencia y por lo tanto la

velocidad de la bomba, logrando operarla en un amplio rango de caudal de

acuerdo al tipo de bomba. Adems de proteger el equipo de fondo contra las

variaciones de voltaje del sistema, permite variar la frecuencia de salida hacia el

motor y controlar la corriente, manteniendo as constante la relacin Voltios/Hertz.

2.1.1.5 Caja de venteo o de conexiones (Vent Box). Cumple bsicamente tras funciones: Servir de conexin elctrica entre el cable de potencia de subsuelo con

el cable proveniente del sistema de control, ventilar con la atmsfera los gases

que puedan estar atrapados dentro de los cables del motor y permitir un rpido

chequeo de los voltajes y corrientes para diagnstico de los problemas en el

equipo de fondo.

38

Figura 8. Caja de Venteo pozo CY 06.


2.1.1.6 Cabezal del pozo. Est constituido por el conjunto de vlvulas para control del pozo y otros accesorios que permiten conectar el sistema de potencia

de superficie con el cable de potencia de fondo, pasndolo a travs del colgador

de la tubera.

Figura 9. Cabezal de pozo.


39

El paso del cable a travs de la cabeza del pozo debe realizarse usando sistema

de sello alrededor del cable y las vlvulas deben garantizar la mxima presin

posible de descarga de la bomba. 2.1.2 Equipo De Subsuelo. El equipo de fondo es el corazn del sistema Bombeo Electrosumergible y opera dentro del pozo, a la profundidad calculada del

cabezal del pozo. El conjunto de subsuelo para una instalacin de ESP est

conformado en orden de instalacin desde fondo por: Motor, Cable de Potencia,

Sello o protector, Separador de Gas (si es necesario), Intake, Bomba.

2.1.2.1 Motor. Es un motor trifsico, bipolar, tipo jaula de ardilla que corre a una velocidad relativamente constante de 3500 RPM, operando con una frecuencia de

60 Hz y es el encargado de suministrar la potencia mecnica necesaria para

mover la bomba y convertir la energa elctrica en energa mecnica. El motor

internamente est lleno con aceite dielctrico que permite lubricar las partes

giratorias del motor y transferir el calor generado hacia la carcaza donde es

disipado por el fluido de produccin; por esto es importante que el fluido de

produccin pase por la carcaza del motor a una velocidad mnima para que sea

garantizada la refrigeracin del motor.

El motor est compuesto por un eje donde se colocan pequeos rotores,

sostenidos en sus extremos por una balinera, la cual soporta cualquier

movimiento radial que pueda tener el rotor al girar. Este conjunto (eje y rotores) es

colocado dentro del estator, el cual recibe la energa elctrica desde la superficie,

genera los campos magnticos y a su vez el movimiento rotativo que es

transmitido a la bomba. Este movimiento es transmitido hasta la bomba utilizando

conectores (couplings) entre los ejes de los sellos y las bombas. El sentido del

movimiento depende de la direccin de la corriente, permitiendo en un momento

dado girar la bomba en sentido contrario con solo invertir el sentido de la corriente

elctrica en superficie.

40

Estator: Tubo metlico (housing) que en su interior tiene unos anillos o lminas perforadas de acero de bajo contenido de carbono y ltimamente acero

inoxidable, por las que se hacen pasar los alambres que constituyen las bobinas

del motor. Es la parte externa del motor que rodea los rotores sin hacer contacto

con ellos y contiene unos devanados que generan un campo magntico al hacer

circular corriente por su bobinado.

Figura 10. Estator.


Rotores: Barras de cobre que forman una especie de jaula, donde se induce una corriente y se genera el movimiento al interactuar con los campos magnticos de

los devanados. Las barras estn unidas por medio de lminas de acero. Cada uno

de estos rotores tiene aproximadamente 12 pulgadas de largo y aporta 15HP.

Figura 11. Rotores.


41

Para especificar un motor es necesario conocer adems del voltaje y amperaje, su

potencia, serie, nmero de serial y modelo.

2.1.2.2 Cable de Potencia. Es un conductor de tres fases, a travs del cual se transmite desde superficie la corriente elctrica requerida por el motor. Su

seleccin depende del voltaje y corriente necesaria para operar el motor, de la

temperatura de fondo del pozo y del nivel de aislamiento elctrico.

El tipo de cable de potencia usado en Cao Limn es el plano hasta la Y tool

(aproximadamente unos 80 pies), en la dems longitud se usa cable redondo

nmero 1, los dos con resistencia de aislamiento hasta de 5kV.

Los cables de potencia tienen una armadura de acero galvanizado, una chaqueta protectora, para que las condiciones en el pozo no afecten el conductor. El

conductor es un cable de cobre, que viene revestido de un polmero que sirve de aislamiento.

Figura 12. Tipos de Cable de Potencia.


2.1.2.3 Sello o Protector. Elemento de diseo especial que se coloca entre el motor y la bomba, formado por un conjunto de cmaras las cuales contienen una

serie de laberintos por donde circula un aceite dielctrico. Sus principales

funciones son:

42

Conectar el motor con la bomba mediante los coupling que se colocan en los ejes del motor y la bomba.

Soportar las fuerzas de empuje producida por las etapas de la bomba y la cabeza del fluido, para que no sean transmitidas al motor.

Evitar que el fluido del pozo entre al motor igualando la presin del aceite con la del fluido del pozo.

Igualar la presin dentro del motor con la del espacio anular, eliminando presiones diferenciales a travs de los elementos de sello del eje.

Absorber la expansin y contraccin del aceite del motor debido al calentamiento y enfriamiento de este cuando est operando y/o est parado.

Los sellos utilizados en Cao Limn se componen de: Una bolsa elstica, sellos

mecnicos, cmaras labernticas y una cmara de empuje que absorbe las cargas

axiales de la bomba que pueden daar al motor. La denominacin de los sellos

est dirigida a conocer el nmero de cmaras que posee (de bolsa o labernticas)

y el tipo de cojinete.

El funcionamiento es as: Los fluidos del pozo hacen contacto con la bolsa elstica

del sello, por la cual se regula la presin del aceite del motor; si la bolsa se rompe,

un sello mecnico acta; si este falla, el fluido entra en la primera cmara

laberntica, la cual retarda el paso hacia la segunda cmara; se encuentra otro

sello, si este falla, el fluido ingresa a la segunda cmara donde tambin es

retardado y finalmente, si se rompe el ltimo sello, el fluido de pozos entra al motor

y lo daar irremediablemente.

43

Figura 13. Sello y cmara de empuje.


Figura 14. Bolsa elstica y cmaras labernticas.


2.1.2.4 Intake o entrada a la bomba. Es la parte que tiene contacto directo con el fluido del pozo y por la que pasa el fluido del pozo al interior de la bomba;

debido a las caractersticas de turbulencia que produce el fluido a la entrada de la

bomba, el intake tiene un eje debidamente soportado por bujes de alta resistencia

a la abrasin que sirve para dar soporte al eje de la bomba, evitando movimientos

axiales.

44

Figura 15. Intake.


Es importante tener en cuenta la ubicacin de este dispositivo durante el diseo

del equipo, ya que su posicionamiento dentro del pozo determina los clculos de

potencia necesaria para el levantamiento del crudo y la columna de fluido

suficiente para que el fluido entre a la bomba por lo orificios del intake, sin que se

produzca el fenmeno de cavitacin y de esta forma el fluido pueda ser tomado

por el primer impulsor de la bomba para aumentar sucesivamente su velocidad a

travs de cada etapa de la bomba, traducindose finalmente en incremento de

presin del fluido que lo haga llegar a superficie.

2.1.2.5 Bomba. Es una bomba centrfuga, con un impulsor que transfiere energa mecnica a un fluido por la accin rotativa del mismo (parte en movimiento) el cual

gira dentro del difusor (parte esttica). A este conjunto impulsor-difusor se le llama

etapa.

El resumen del funcionamiento de una etapa es el siguiente: A medida que el

impulsor gira, todo el fluido que entra en l es expulsado hacia afuera por accin

de la fuerza centrfuga hacindolo llegar a las paredes del difusor el cual por su

45

diseo hace que el fluido llegue al impulsor de la siguiente etapa, y se repita esta

accin sucesivamente.

Figura 16. Etapa de una bomba Bombeo Electrosumergible


A mayor nmero de etapas, mayor es la presin desarrollada por la bomba, pues

la velocidad inicial de la primera etapa, se incrementa a la salida de la misma,

siendo en el segundo ciclo ya no cero la velocidad inicial sino una cantidad, que

incrementa an mas la velocidad del fluido, convirtiendo este incremento de

velocidad en presin. En este proceso el caudal se mantiene constante porque

este depende de la velocidad del motor. Las etapas donde el impulsor tiene

libertad de movimiento axial con respecto al eje, se denominan flotadoras,

mientras que en aquellas en donde el impulsor esta fijo, se denominan

compresoras.

Bombas resistentes a la abrasin (AR). Estas bombas son soportadas radialmente

instalndoles bujes especiales para atenuar la vibracin producida por el desgaste

de las etapas. Estos bujes son de dos cuerpos, un hongo o sombrero que gira con

el impulsor y un buje fijo en el difusor.

46

Las bombas electrosumergibles se comportan respondiendo a una curva de

rendimiento o eficiencia de acuerdo al diseo del tipo de etapa. Estas curvas se

calculan a diferentes frecuencias mostrando el rango de operacin y el punto de

mayor eficiencia. Suministran informacin sobre una sola etapa de la bomba ESP,

pero con base en ellas se puede calcular la cabeza entregada por toda la bomba,

el caudal o capacidad, la eficiencia y otros parmetros con que debe operar.

Figura 17. Curva de rendimiento de una bomba.


Toda bomba debe disearse para que opere lo mas cerca al centro del tornado,

donde entrega el mximo de eficiencia hidrulica y mecnica. Si una bomba

opera a un caudal mayor que la del diseo se puede producir excesivo empuje

hacia arriba (up-thrust), o por el contrario cuando la bomba opera a un caudal

menor que la de diseo se puede presentar excesivo empuje hacia abajo

(downthrust).

47

Para medir el rendimiento de la bomba se utiliza agua fresca (gravedad especfica

1.0) como fluido, por lo tanto, para calcular la potencia de otros lquidos, esta debe

ser multiplicada por la gravedad especfica del fluido. La cabeza para una

aplicacin determinada puede ser calculada en pies, y la cabeza y capacidad

deseadas pueden ser ledas directamente de las curvas sin correccin, siempre y

cuando la viscosidad del lquido sea cercana a la del agua. El nmero de etapas

requeridas se calcula dividiendo la cabeza dinmica total entre la cabeza en pies

por cada etapa.

2.1.2.6 Componentes Opcionales. Son elementos que no son indispensables para la funcin principal que es la de bombear el crudo, su utilizacin depende de

los requerimientos que tenga el operador y de la funcin especfica de cada uno

de estos. Los ms usuales son:

Sensor de presin: Fabricado en cristal de cuarzo, constituye un elemento clave para monitorear el comportamiento de la presin del yacimiento y optimizar la

operacin del equipo ESP.

Vlvula cheque: Debe colocarse entre 6 y 8 juntas sobre la descarga de la bomba, evita que se produzca flujo invertido cuando se detiene la bomba, lo cual

causa la rotacin en sentido inverso de la instalacin, se recomienda para pozos

profundos con baja presin de fondo. En ambientes de arena moderados evita el

asentamiento de la arena sobre la bomba cuando esta se apaga.

Vlvula de drenaje: Es necesario instalarla siempre que se instale una vlvula cheque convencional.

Vlvula de seguridad: Se instala entre 600 y 800 pies de profundidad, est normalmente cerrada, se mantiene abierta a travs de una lnea de control

presurizada a 3000 psi, su instalacin depende de los requerimientos de seguridad

48

del rea. La vlvula se cierra en el evento de que se rompa la lnea de flujo o por

la perdida de presin de la lnea de control.

Y-Tool: Es una conexin con derivacin donde la bomba ESP se instala a un lado y por la seccin recta se coloca un tapn recuperable con cable. Se recomienda

su instalacin siempre y cuando el dimetro del revestimiento lo permita con el tipo

de bomba que se desea correr. Es ideal para tomar registros de produccin y

presiones de fondo con el pozo en produccin.

Empaque: Permite aislar el espacio anular, se utiliza por razones de seguridad, en este caso se debe instalar en conjunto con una vlvula de seguridad, en el caso

de pozos profundos se utiliza para proteger el cable de los fluidos del pozo.

2.2 ANLISIS DE FALLAS SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE EN POZOS DE BAJO CAUDAL EN EL CAMPO DE CAO LIMON

Se ha pretendido entender la forma como se mide la confiabilidad de un sistema

de tal manera que permita determinar una probabilidad medible de que el equipo

trabaje adecuadamente por un tiempo determinado bajo unas condiciones

operativas previamente establecidas.

Una forma dentro de la industria petrolera de tener esta probabilidad ha sido

desarrollada en busca de poder predecir el tiempo esperado de operacin de un

equipo, la cual se ha llamado MTBF (Mean Time Befote Failure) Tiempo Medio

Antes de la Falla. El principal objetivo es, reducir el nmero de fallas en los

equipos, mejorando la confiabilidad del sistema. A continuacin se hace un

anlisis sencillo del MTBF.

49

2.2.1 Tiempo Medio Entre Fallas (MTBF) 910. Earl B. Brookbank, ingeniero de la compaa Baker Hughes-Centrilift hizo una presentacin a la SPE Workshop en

mayo de 1996, titulada: How Do You Measure Run Life, (Cmo mide usted el

Tiempo de Vida?) donde explica como el mejor mtodo estadstico para medir el

tiempo de operacin esperado o tiempo medio entre fallas de los equipos de

Bombeo Electrosumergible. Es un estudio estadstico que explica cmo fueron

aplicadas las teoras de Herd and Jonson al bombeo electrosumergible.

Con base en el anterior trabajo, los Ingenieros Rafael Lastra y Armando Rueda de

Occidental de Colombia, Inc. hicieron una adaptacin del modelo de anlisis de

supervivencia desarrollado por Brookbanks al campo Cao Limn. Este mtodo ha

sido aplicado durante los ltimos 19 aos de produccin del campo para el clculo

del MTBF. Sin duda las teoras estadsticas a lo largo del tiempo se han revaluado,

pero de igual manera debido a que los datos histricos no son fciles de cambiar,

se ha mantenido este sistema, previa confirmacin de que las nuevas teoras y

mtodos tienen muy poco valor agregado en el clculo del desempeo de los

equipos de bombeo electrosumergible.

La definicin estadstica general del MTBF es:

fallasdenmeroentofuncionamiderealTiempoMTBF

= (2.1)

Donde:

Tiempo real de funcionamiento: Es el tiempo real de funcionamiento de los equipos, dentro de un perodo de tiempo (preferiblemente mayor a diez aos) que 9 BROOKBANK, E. B. y BEBAK, K. Dando Sentido al Tiempo Medio Antes de la Avera (MTBF, sigla en ingls) y otras estadsticas de Vida til. Baker Hughes-Centrilift. 2003. 10 LASTRA, Rafael y RUEDA, Armando. Estimating MTBF Using Survival Anlisis Techniques. En: 1997 ELECTRICAL SUBMERGIBLE PUMA WORKSHOP. Houston, Texas. 1997.

50

significa, el tiempo de equipos en funcionamiento menos el tiempo de equipos

fallados. Esto quiere decir que a diferencia de otros mtodos estadsticos como el

promedio, la mediana, etc, este sistema tiene en cuenta el tiempo que los equipos

se mantienen trabajando.

Nmero de fallas: Es la suma total de fallas ocurridas en el campo, a causa del no funcionamiento de uno de los elementos del sistema electrosumergible. En este

punto se aplica la norma de datos censurados y no censurados que se explica

mas adelante.

La ecuacin 2.1 se puede escribir de la siguiente manera:

fallas de #parados equipos de tiempo

fallas de # corriendo equipos de tiempo +=MTBF (2.2)

La primera parte de esta ecuacin determina la vida promedio de los equipos que

estn corriendo. La segunda, la vida promedio de los equipos que han fallado.

La segunda parte es muy fcil de calcular, pues se conoce el da de instalacin de

un equipo y el da de la falla. La primera parte de la ecuacin no es tan fcil de

estimar, pues no hay una relacin entre las fallas de los equipos de todo un campo

y el tiempo de funcionamiento de los equipos que no han fallado. Debe existir un

factor entre las unidades corriendo y el nmero de fallas de todo el campo que no

se conoce. Hay que recordar que esta ecuacin es para todo el campo o toda la

poblacin de la muestra de datos dentro del tiempo escogido de anlisis.

En este punto se aplicaron las diferentes teoras estadsticas. El mtodo consiste

en clasificar de manera ascendente los tiempos de operacin t1, t2, t3,,ti,, tN

para N equipos en una muestra, y dentro de un perodo de tiempo establecido,

donde se incluyan datos censurados y datos fallados.

51

Los datos censurados corresponden a los equipos que se removieron por alguna

razn diferente a la falla de uno de sus componentes, es decir que la falla no es

atribuible al equipo ESP. Por ejemplo: rediseo, reacondicionamiento del pozo,

abandono, operacin inapropiada, dao en la tubera, instalacin inapropiada y

condiciones inesperadas del pozo.

Los datos no censurados o fallados hacen referencia a los equipos que se sacaron

del pozo como consecuencia de una falla de alguno de sus componentes (bomba,

motor, sello o cable) ya sea mecnica o elctrica.

Para cada uno de los tiempos se definen varias funciones estadsticas como:

Distribucin acumulada de fallas. Relacin recursiva de falla. Probabilidad Condicional Funcin de Confiabilidad

Finalmente, con todas estas funciones definidas se aplican a la ecuacin para

calcular el MTBF:

( ) ( )( )11

10

=

= iiNi

i tttRdttRMTBF (2.3)

Para aplicar ste mtodo solo es necesario tener informacin del tiempo de

operacin de cada uno de los equipos y un identificador que determine si el dato

es censurado o no. En Cao Limn el tiempo de operacin se considera como

tiempo real de funcionamiento pues el sistema Scada, por radio, permite tener el

control exacto del tiempo de funcionamiento del equipo, medido en minutos,

traducido a fracciones de hora del da.

52

La informacin utilizada para hacer el anlisis que aqu se expone, se obtuvo de

los registros de los pulling e instalaciones existentes en el archivo Artificial Lift

Failures (ALS) que se maneja en la compaa. Se tomaron los registros de los equipos instalados durante el periodo de tiempo del 01 de enero de 1996 al 31 de

diciembre de 2005. En total se encontraron 950 equipos extrados, en 274 pozos

fallados en el perodo indicado. La base de datos adems indica: fecha de

instalacin, fecha de pulling, tiempo corrido, razn de pulling, componente de ESP

fallado, descripcin de la falla.

Con el propsito de conocer la diferencia entre los equipos de bajo caudal y todos

los dems, se graficaron los datos de fallas en los pozos instalados durante el

periodo de tiempo mencionado.

Figura 18. Cantidad de fallas por Run Life.

Fuente: MACHETE, E. Y.

En la grfica anterior se puede ver la tendencia exponencial de los datos,

observando que el comportamiento de los equipos instalados en Cao Limn

comparados con los equipos instalados de bajo caudal son similares.

53

El clculo del MTBF para los pozos de bajo caudal utilizando una macro en Excel,

es de 727 das, el cual comparado con el MTBF de todo el campo de 742 das nos

podemos dar cuenta de la diferencia que se presenta en estas cifras implica que

los pozos de Bombeo Electrosumergible en pozos de bajo caudal incrementan el

gasto del mantenimiento por la necesidad de mayores cambios de equipos ESP

con los servicios asociados para realizar esta labor.

2.2.2 Anlisis de fallas equipos Bombeo Electrosumergible de Bajo Caudal. Se define bajo caudal a los pozos que han trabajado con equipos de produccin

entre 450 y 6,100 BFPD.

En el anlisis de fallas a los equipos de bajo caudal que han funcionado durante

los ltimos diez aos de produccin del campo Cao Limn (Enero de 1996 a

Diciembre de 2005), se encontr que de los 274 pozos que han fallado, hay 146

que manejan bajo caudal, lo cual representa el 53.28% del total de fallas en el

Campo Cao Limn y dentro de esta poblacin la mayor cantidad de fallas se han

presentado en aquellos que tienen instalados equipos con capacidad de manejar

caudales inferiores a 2000 BFPD.

En busca de soluciones para mejorar la rentabilidad de la extraccin del crudo en

los pozos de caudales inferiores a los 2,000 BFPD, que representan el 30% de las

fallas en equipos de bajo caudal y optimizar la energa necesaria para este

proceso, en la compaa se planearon la realizacin de pruebas de otros sistemas

de bombeo.

Pruebas con el sistema PCP de varillas y las ESP-CP, mezcla de motor de

electrosumergible con PCP, fueron realizadas extensamente en Cao Limn, pero

dos factores no permitieron el xito. El primero la profundidad a la que deban

trabajar las PCP que hacan muy frgil la sarta de varillas y en el caso de las ESP-

CP el elastmero de las bombas PCP no funcion. En el segundo caso algo que

54

dificulta la instalacin y prueba de este sistema es que solo una compaa ofrece

los tres componentes principales: motor de ESP, reductor de velocidad y bomba

PCP.

Figura 19. Fallas por Caudal.


Finalmente, despus de estos ensayos se realizaron las primeras pruebas con el

Bombeo Mecnico reemplazando el sistema de Bombeo Electrosumergible.

Al analizar las causas de las fallas de los pozos con caudales inferiores a 2,000

BFPD, como se muestra en la figura 20, el 45% de fallas son causadas por fallas

elctricas o mecnicas, las primeras generalmente en el motor y/o al cable y las

segundas en la bomba o en el sello, sin descartar que tambin se puede presentar

falla mecnica en el motor.

En la figura 21 se puede observar una tendencia de incremento en las

instalaciones y fallas, lo cual demuestra la necesidad de implementar otro sistema

de levantamiento artificial que de mejores tiempos de vida y resultados a los

obtenidos mediante el uso del Sistema de Bombeo Electrosumergible.

55

Figura 20. Causas de fallas caudal menor a 2000 BFPD.


Figura 21. Instalaciones y fallas caudales inferiores a 2000 bbls.


2.2.3 Fallas en la bomba. Las fallas en la bomba generalmente ocurren por: bajo caudal que se maneja, produccin de arena que genera desgaste abrasivos, o por

el largo tiempo de funcionamiento. Especficamente se observa:

56

Desgaste de la arandela de empuje descendente debido a la produccin por debajo del mximo lmite hidrulico de eficiencia de la bomba.

Desgaste de las etapas a causa de la produccin de material abrasivo como la arena.

Taponamiento de las etapas por depsito de arena.

Rotura del eje, por mala operacin al tratar de desbloquear la bomba cuando se tiene bomba pegada.

Rotura del eje por arranque de la bomba sin que la columna de fluido en la tubera se haya detenido despus de una parada.

Baja eficiencia debida al tiempo de vida de la bomba.

2.2.4 Fallas en el motor. Las fallas en el motor ocurren habitualmente por falla elctrica causada generalmente por:

Insuficiente fluido en movimiento para refrigerar el motor. La velocidad recomendada del fluido del pozo debe ser de 1 ft/sg.

Mal dato de gravedad especfica del fluido de pozo para el diseo, causando excesiva carga en el motor.

Desgaste de la Bomba que causa vibracin y genera fugas en el sello o protector permitiendo que los fluidos del pozo entren al motor.

Fallas en los equipos de superficie que controlan el motor.

57

2.2.5 Fallas del sello o protector. Las fallas del sello o protector pueden ocurrir por las siguientes razones:

Desgaste de los sellos mecnicos del sello por vibracin de la bomba y/o rompimiento de las partes cermicas de los mismos.

Servicios inapropiados en la instalacin de la unidad.

Numerosos ciclos de trabajo del sello, haciendo que las cmaras se contaminen.

2.2.6 Fallas en el Cable de Potencia. Las fallas en los cables suceden por dao mecnico de su proteccin exterior causando corto elctrico entre sus fases.

Dao interior en los empalmes debido a la compresin o descompresin del pozo.

Deformacin debida a la sobre tensin del cable por mal manejo.

Enroscamiento del cable.

Ambientes a altas temperaturas.

Equivocada escogencia de carga de amperaje en el cable. 2.2.7 Factores externos. Los problemas operaciones pueden ser causados tambin por factores que aunque no son parte del equipo de fondo, influyen en el

funcionamiento del sistema de levantamiento artificial haciendo que se reduzca el

tiempo de vida del equipo, estos factores son:

58

Instalacin defectuosa por malos procedimientos.

Equipo Imperfecto o por debajo de las normas de calidad.

Tormentas Elctricas, ocasionando daos en los transformadores y el controlador del motor.

Sistema Elctrico defectuoso. El desfase entre la corriente no balanceada de las fases no debe exceder el 5%.

Desaciertos en los parmetros de yacimientos que se emplearon para hacer el respectivo diseo.

Condiciones de pozo como insuficiente fluido en movimiento o altas temperaturas.

2.3 SISTEMA DE BOMBEO MECNICO

Como se ha explicado anteriormente la necesidad de implementar un nuevo

sistema de extraccin para pozos de bajo caudal, llev a Occidental de Colombia,

Inc. a realizar un estudio de mercado local, para conocer los sistemas alternativos

que se podan obtener. Por medio de una licitacin fueron invitadas las compaas

que tenan estos productos, y finalmente se determin usar un sistema nuevo o de

poco desarrollo en nuestro medio. Este sistema es el de Bombeo Mecnico

asistido por Hidrgeno llamado VSH2. A diferencia de las unidades

convencionales su escogencia se hizo por: precio, facilidad de instalacin y

funcionamiento.

El sistema de Bombeo Mecnico VSH2 (Variable Speed Hydraulic 2) es un

sistema de levantamiento artificial que ha utilizado ampliamente en Canad con

59

muy buenos resultados y se esta implementando por primera vez en Colombia en

el campo Cao Limn, desde diciembre del 2005, en pozos donde la declinacin

en la presin y la reducciones en su caudal son bastante notorias, lo cual limitan el

uso del sistema de Bombeo Electrosumergible.

Este nuevo sistema de levantamiento artificial tiene como ventajas el manejar una

mezcla de tecnologa neumtica (nitrgeno) con tecnologa hidrulica, por medio

de tres piezas mviles (Acumulador de presin, Cilindro hidrulico y Bomba

Hidrulica). Capacidad para manejar mayores cargas en la barra que las unidades

convencionales, rpidos cambios de Strokes por minuto (SPM), flexibilidad en su

aplicacin, reduccin en consumo de energa, fcil preparacin de la instalacin y

mantenimiento y funcionamiento con bajos niveles de fluido llegando hasta un flap

de cero.

2.3.1 Equipo de Superficie. El principio de funcionamiento de la unidad VSH2, esta asociado con el empuje ascendente - descendente, generado por pistones

hidrulicos. A diferencia de las unidades tradicionales que poseen varios

elementos pesados y de difcil control.

El sistema de superficie de una unidad VSH2 tiene:

Un sistema de Nitrgeno con alta presin.

Un cilindro hidrulico No.1 cargado por la parte superior con nitrgeno. Su funcin es la de hacer de contrapesa, cuando la sarta de varillas vaya en

carrera ascendente. Se llama Acumulador de presin.

Bomba hidrulica que inyecta por debajo del pistn No.1 fluido hidrulico, solamente al momento del arranque y tiene como funcin servir de

amortiguador de la sarta en la carrera descendente.

60

Segundo pistn No.2 el cual es accionado directamente por la bomba hidrulica y suministra las fuerzas ascendentes y descendentes.

Su funcionamiento bsico es as: el motor proporciona potencia de impulsin a la

bomba hidrulica, la cual presiona el sistema con aceite hidrulico, llevando esta

presin a los pistones.

En el pistn No.1 se ingresa aceite y nitrgeno los que proporcionan el contrapeso

necesario para el movimiento oscilante de la barra lisa, la sarta de varillas y la

bomba.

El pistn No.2 conectado directamente a la bomba, es alimentado con aceite, por

encima y por debajo del pistn por medio de mangueras de alta presin. Vlvulas

electromagnticas cambia el sentido del aceite en el pistn No.2, logrndose que

vaya en sentido ascendente y descendente.

Los recorridos y el nmero de viajes por minuto se calibran con los tiempos de

cambio en las vlvulas hidrulicas. Las carreras se gradan en los topes de la

barra lisa. La barra lisa y el cabezal aseguran una superficie de sellamiento, que

se logra por medio de prensa estopas de fabricacin especial.

Las unidades hidrulicas utilizadas en Cao Limn son modelo 150, las cuales

manejan un stroke de mnimo 72 y mximo 150 pulgadas, un mximo de SPM de

7, tamao del cilindro No.2, de 4 pulgadas y soportan hasta 40,000 libras de

presin. Las distancias especificadas en la figura 2.19 para esta clase de unidad

son: A=61; B=102; C=57 (para transporte), C=74 (para pozos desviados),

C=115 (para pozos verticales); D=255; E=254.5; F=26 y G=18.5.

61

Figura 22. Unidad hidrulica VSH2.

Fuente: Weatherford Colombia Ltda.

El equipo de superficie est compuesto por: El motor elctrico, que acciona el

sistema de aceite hidrulico, el acumulador de presin, la bomba hidrulica, el

tanque de aceite, la unidad de bombeo como tal y el cabezal de pozo.

2.3.1.1 Motor Elctrico. La carga del motor es cclica, es decir, la demanda de potencia es alta durante el recorrido ascendente, cuando la Sarta de Varillas y el

peso del fluido han sido levantados y prcticamente no se requiere entrada de

potencia durante el recorrido descendente, cuando las varillas caen por su propio

peso.

La clase de motor utilizado en Cao Limn es el NEMA D, que tiene un

deslizamiento alto del 5%-8% y un torque de arrancada del 275% del torque con

carga total.

62

Figura 23. Motor Elctrico.


El parmetro ms importante es el torque de salida el cual, a una velocidad de

cero, debe ser suficiente como para arrancar la Unidad de Bombeo. La corriente

de salida del motor se incrementa con torques de salida ms grandes. La

eficiencia elctrica del motor vara en un gran intervalo y tiene su punto mximo a

la velocidad nominal y disminuye a la velocidad sincrnica.

2.3.1.2 Acumulador de presin. Es un cilindro con un pistn interno, el cual en su parte superior contiene nitrgeno y en la parte inferior aceite hidrulico, el

nitrgeno provee la presin necesaria para amortiguar el peso en la carrera

descendente y aportar potencia hidrulica en la carrera ascendente, logrando con

esto disminuir hasta en 2/3 la energa requerida para levantar el peso sobre la

barra pulida.

El acumulador se llena de nitrgeno colocando una de las botellas a la entrada

para el suministro del mismo y manteniendo abierta la vlvula hasta que cese el

paso de gas, este procedimiento se debe repetir con todas las botellas y el

acumulador hasta alcanzar una presin de 1,500 psi.

63

Si el acumulador tiene demasiado aceite, el cilindro no podr completar la carrera

descendente cuando la unidad est en operacin; pero si por el contrario, no tiene

suficiente aceite hidrulico, el cilindro usar ms presin en la carrera ascendente

que en la descendente. La cantidad ptima de aceite es entre 15 y 18.75 galones.

Figura 24. Acumulador de presin.


2.3.1.3 Botellas de Nitrgeno. Son cuatro recipientes para almacenar el nitrgeno que requiere la unidad para su funcionamiento.

Figura 25. Botellas de Nitrgeno.


64

Para llenar las botellas de nitrgeno se deben cerrar las vlvulas de los cilindros y

el alimentador del acumulador, conectar la nueva fuente de nitrgeno a una de las

botellas hasta su llenado, despus se debe repetir este procedimiento con las

botellas restantes y por ltimo, abrir las cuatro vlvulas para igualar las presiones

alrededor de 1,500 psi.

2.3.1.4 Bomba hidrulica. Se encarga de aportar la potencia necesaria por debajo al segundo pistn No.2 en carrera ascendente y por encima en carrera

descendente. El sentido de empuje del aceite hidrulico sigue la direccin que le

indica la servo vlvula ubicada en la bomba, la cual recibe seales de los sensores

de proximidad ubicados en el mstil, cambiando con esto el sentido de la carrera.

Figura 26. Bomba Hidrulica.


2.3.1.5 Tanque de aceite. En este recipiente se almacena el aceite que es el fluido hidrulico encargado de hacer el empuje necesario en la carrera ascendente

y descendente. La temperatura de ste aceite nunca debe exceder los 150F.

65

Figura 27. Tanque de aceite.


2.3.1.6 Mstil o Unidad de Bombeo. Es un acople mecnico que gua el movimiento ascendentedescendente suministrado por el cilindro No.2 para

operar la bomba de fondo que esta unida a la sarta de varillas y la barra pulida. Una unidad de bombeo diseada apropiadamente tiene el tamao exacto en su

estructura y de carrera para producir el fluido que se desea obtener.

Las caractersticas deseables de la unidad de bombeo son: Recorrido ascendente

lento y largo; el recorrido descendente puede ser ms rpido, teniendo cuidado

con la velocidad de cada libre de las varillas en los fluidos del pozo; bajos factores

de torque en el recorrido ascendente que reducen el consumo de energa y bajas

aceleraciones de la barra lisa el comenzar el recorrido ascendente originando

cargas mximas bajas.

66

El Instituto Americano del Petrleo (API) ha desarrollado un mtodo para designar

las unidades de bombeo, as:

X XXX YYY ZZZ Donde,

Tabla 5. Nomenclatura API para Unidades de Bombeo Mecnico.

SMBOLO NOMBRE EJEMPLOS

X Tipo de Unidad C: Convencional

M: Mark II A: Balanceada por aire

XXX Capacidad de la caja de engranaje En miles libras-plg YYY Capacidad de la estructura En cientos de libras ZZZ Longitud mxima de la carrera En pulgadas

Fuente: GONZALEZ, Henry. Bombeo Mecnico para Ingenieros. Bogot, Colombia. 2006.

La compaa que presta ste servicio no tiene una descripcin API para stas

unidades, las describen como: VSH2-150. Las principales partes de la unidad de

bombeo son:

Guaya: Alambre de acero compacto que sirve de sostn al sistema de levantamiento (elevador y sarta de cabillas). Ver figura 28 (No.1).

Elevador: Es el encargado de sujetar la sarta de cabillas con el sistema de guayas conectado al cabezote. Ver figura 28 (No.2).

Espaciador: Espacio que existe desde la parte inferior del elevador y la placa de referencia en donde se ubica el equipo dinagrfico. Ver figura 28 (No.3).

67

Figura 28. Guaya, Elevador y Espaciador.


Barra Lisa: Es una barra de acero slido que tiene conexiones en ambos extremos para las varillas de bombeo. Es la barra ms fuerte de toda la sarta, por

lo tanto es ms grande que el tamao de la seccin superior de varillas. Sus

funciones son transmitir el movimiento de bombeo a las varillas y permitir la

formacin de un sellamiento contra las fugas de los fluidos del pozo, por lo que su

superficie externa es pulida.

Los componentes de las cargas en la Barra Lisa son: El peso de la Sarta de

Varillas, la fuerza de flotacin que hace disminuir el peso de las varillas, las

fuerzas de friccin del fluido y mecnicas en toda la Sarta de Varillas, las fuerzas

dinmicas que ocurren en la sarta y el peso del fluido sobre el mbolo de la

bomba.

La suma del peso de la Sarta de Varillas y la Fuerza de Flotacin es el Peso

Neto de las Varillas. Los efectos de fuerzas de friccin son difciles o imposibles

de predecir por lo que generalmente no se tienen en cuenta. Las fuerzas

1

2

3

68

Dinmicas sobre la Barra Lisa se encuentran mediante la aplicacin del modelo de

la masa concentrada. Las Fuerzas Inerciales se calculan mediante el mtodo del

Factor de Aceleracin de Mills que tiene en cuenta la masa y la aceleracin de la

barra lisa.

Figura 29. Barra Lisa.


2.3.1.7 Cabezal de Pozo. La Barra Lisa se mueve dentro del cabezal de la tubera de produccin, sobre el cual se instala la tee de bombeo y sta a su vez

hacen que los fluidos producidos por la bomba vayan dentro de la lnea de flujo,

una vlvula cheque se instala sobre sta lnea para evitar que los fluidos ya

producidos se devuelvan al pozo.

1

2

3

69

Sobre la Barra Lisa se instala una abrazadera a una altura adecuada para permitir

que la Barra Portavarillas levante la Sarta de Varillas. El Prensaestopas se instala

justo por encima de la tee de bombeo y su objetivo es evitar la fuga de fluidos del

pozo alrededor de la Barra Lisa, es importante ajustar peridicamente el

hermetismo de los anillos de empaque para evitar la fuga y no apretarlos tanto

para evitar las fuerzas de friccin que surgen en la Barra Lisa.

Figura 30. Cabezal de pozo Unidad Hidrulica.


2.3.2 Equipo de fondo1112. El equipo de fondo del Sistema de Bombeo Mecnico VSH2 al igual que los Sistemas de Bombeo Mecnico tradicionales esta

compuesto por: La sarta de varillas compuesta por las varillas de succin que

proporciona el acople mecnico entre la bomba de subsuelo y el equipo de

superficie, la bomba de subsuelo y el sistema de anclaje que permite mantener la

tubera de produccin en tensin.

11 GONZALEZ, Henry. Bombeo Mecnico para Ingenieros. Bogot, Colombia. 2006. 12 TAKCS, Gbor. Bombeo Mecnico Moderno. Bucaramanga, Santander Colombia. Consultaras y Servicios Integrados de Ingeniera Ltda.

1

2

3

70

2.3.2.1 Sarta de Varillas. Proporciona el vnculo entre la Unidad de Bombeo en superficie y la Bomba de Subsuelo, su funcin principal es transmitir el movimiento

oscilatorio de la barra pulida a la bomba para proporcionarle la potencia necesaria

para que ocurra la produccin. La sarta de tiene un impacto mayor en el

comportamiento del sistema, varillas afecta las cargas en la barra pulida y la caja

de engranaje, consumo de energa, torque en la caja de engranaje, carrera de

fondo y frecuencia de fallas en las varillas. Su resistencia, vida til y fuerzas

friccionales tiene gran impacto en la economa de un pozo.

Las varillas generalmente son fabricadas 100% acero. Existen sartas parcialmente

en acero y fibra de vidrio, las cuales son utilizadas en locaciones con problemas

de corrosin, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar comprar

unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de produccin. La

longitud de varillas ms comn en acero es 30 pies y en fibra de vidrio es 37.5

pies, por lo cual las segundas reduce el nmero de acoples y hace que la sarta

sea ms ligera.

Figura 31. Sartas de varillas en sus empaques.

Fuente: Weatherford Colombia Ltda.

71

Las varillas utilizadas en Cao Limn son tipo Electra debido que el empleo de

varillas de fibra de vidrio se ve limitado por que la temperatura en el campo es de

210F y la mxima temperatura de diseo que admiten es de 200F. Las varillas

Electra son fabricadas con acero de gran resistencia, debida a que la parte

exterior es sometida a un proceso de tratamiento con calor (endurecimiento por

induccin) y la parte interna a compresin obteniendo como resultado una varilla

capaz de resistir hasta 50M Lpc, independientemente del rango de esfuerzo.

Para disminuir costos y cargas tensionales generalmente la sarta de varillas se

disea de forma telescpica (dimetros mayores son colocados en el tope), esta

clase de diseo es la que se est utilizando actualmente. Otra opcin de diseo

son las barras de peso (varillas de dimetro mayor en el fondo de la sarta)

utilizadas para contrarrestar la fuerza de flotacin y minimizar la compresin de las

varillas en la base de la sarta.

2.3.2.2 Bomba de subsuelo. Trabaja sobre el principio de desplazamiento positivo y son del tipo cilindro-pistn de la bomba.

Figura 32. Bomba de subsuelo.

Fuente: GONZALEZ, Henry. Bombeo Mecnico para Ingenieros. Bogot, Colombia. 2006.

1

2

3

72

Sus partes bsicas son el Barril de Trabajo (cilindro), el mbolo (pistn), las dos

Vlvulas de bola (la vlvula viajera se encuentra en el pistn y la vlvula fija a la

entrada del cilindro) y la zapata (mecanismo de sello).

La operacin de la bomba influye en las cargas sobre la sarta de varillas, la unidad

de bombeo, la caja de engranaje y el motor. La seleccin de la bomba adecuada

incrementa la eficiencia del sistema y extiende la vida til del equipo,

generalmente una bomba grande con velocidades de bombeo bajas incrementan

la eficiencia del sistema.

La operacin de una bomba mecnica, asumiendo que est llena de fluido

incompresible tal como fluido muerto o agua, lleva los siguientes pasos:

Para el caso ideal de bomba totalmente llena, en la carrera ascendente la vlvula viajera se cierra debido a la presin hidrosttica que ejerce el fluido que

est dentro de la tubera, ste fluido es levantado hasta la superficie durante el

movimiento ascendente del pistn, la presin cae en el espacio que existe entre

las vlvulas viajera y fija haciendo que sta ltima se abra permitiendo que le

presin en la cara del pozo haga que el fluido de la formacin llegue al barril. Es

importante notar que en esta parte todo el peso de la columna hidrosttica es

soportado por el cilindro y la sarta de varillas.

Despus de que el cilindro alcance su punto mxima, la sarta de varillas empieza a bajar, la vlvula viajera se y la fija se cierra debido a la

incompresibilidad del lquido contenido en el barril. Cuando se abre la vlvula

viajera sta se libera de la carg

analisis desempeño entre dos levantamientos artificiales

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